: Химическая технология что нового? Вадим К. Хлесткин, к.х.н.

Химическая технология:
что нового?
Лекция 2. Химические реакторы.
Микрореакторы.
Вадим К. Хлесткин, к.х.н.
Новосибирский государственный
университет
Химический реактор
- устройство, аппарат для проведения химических превращений.
F0j – входящий поток вещества
Fj – исходящий поток вещества
r - скорость реакции
V - объем реакционной смеси
Nj - концентрация
Реактор
идеального смешения (batch)
Проточный реактор
смешения
Реактор
идеального вытеснения
(constant flow)
Тип
Плюсы
Недостатки
Идеального
смешения
•Простота (нет
необходимости
контролировать поток)
•Экономичность
•Неравномерность перемешивания и
нагрева по объему
•Периодичность действия
•Объемность
•Затраты энергии на перемешивание
•Опасность (большие объемы ЛВЖ или
нестабильных веществ)
Проточный
реактор
смешения
•Простота (нет
необходимости
контролировать поток)
•Экономичность
•Легкость масштабирования
•Легко организовать
несколько
последовательных стадий в
потоке
•Неравномерность перемешивания и
нагрева по объему
•Объемность
•Затраты энергии на перемешивание
•Опасность (большие объемы ЛВЖ или
нестабильных веществ)
Идеального
вытеснения
•Равномерность нагрева
•Постоянный поток
•Легкость масштабирования
•Безопасность
23.07.2013
•Малоприменим при выпадении
осадков
•Необходимость обеспечить
постоянство потока (аппаратное
усложнение)
НГУ, 3 курс ФЕН
Схемы реакторов
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Правило 1.
Для одной реакции.
Чтобы минимизировать объем реактора, нужна как можно более
высокая концентрация реагентов, порядок по которым n > 1. Для тех
компонентов, по которым порядок n < 1, концентрация должна быть
низкой.
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
5 из 47
Правило 2.
Для последовательных реакций.
А → R → S → T…..
Чтобы максимизировать выход любого из интермедиатов, не смешивайте
жидкости с разными концентрациями активных ингредиентов (реагента
или интермедиатов).
Рецикл
Здесь
смешивается
жидкость с
исходной и
выходящей
концентрациями
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
6 из 47
Правило 3.
Для параллельных реакций.
Нужный продукт
n1 – низкий порядок
n2 – средний порядок
n3 – высокий порядок
Для оптимального распределения продуктов:
•
•
•
•
Низкая концентрация благоприятна для реакций низшего порядка
Высокая – для высшего
Средняя – для среднего
Для реакций одного порядка концентрация не влияет на распределение
продуктов.
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
7 из 47
Правило 4.
Сложные реакции.
Сложные процессы могут быть сведены к простым (параллельным или
последовательным).
Здесь: если R – нужный продукт, то A и R вводятся в реактор идеального
вытеснения, без всяких рециклизаций. А вот B можно вводить как угодно –
его концентрация не повлияет на распределение продуктов.
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
8 из 47
Правило 5.
Идеального смешения или идеального вытеснения?
Любое распределение продуктов может быть достигнуто как в реакторе идеального
смешения, так и в реакторе идеального вытеснения.
В потоке
В горшке
Вся
жидкость
доб сразу
реактор
Доб медленно
Держим конц
постоянной
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
9 из 47
Правило 6.
О температуре.
Высокая температура благоприятна для реакций с высокой E.
Низкая – с низкой.
15.02.2012
НГУ, 3 курс ФЕН
10 из 47
Чтобы минимизировать объем
реактора, нужна как можно более
высокая концентрация реагентов,
порядок по которым n > 1. Для тех
компонентов, по которым порядок
n < 1, концентрация должна быть
низкой.
Сложные процессы могут
быть сведены к простым
(параллельным или
последовательным).
15.02.2012
Для последовательных
реакций.
Чтобы максимизировать
выход любого из
интермедиатов, не
смешивайте жидкости с
разными концентрациями
активных ингредиентов
(реагента или
интермедиатов).
Любое распределение
продуктов может быть
достигнуто как в реакторе
идеального смешения, так и в
реакторе идеального
вытеснения.
НГУ, 3 курс ФЕН
Для параллельных реакций.
Для оптимального распределения
продуктов:
•
•
•
•
Низкая концентрация
благоприятна для реакций
низшего порядка
Высокая – для высшего
Средняя – для среднего
Для реакций одного порядка
концентрация не влияет на
распределение продуктов.
Высокая температура
благоприятна для реакций с
высокой E.
Низкая – с низкой.
11 из 47
Примеры альтернативных технологий
Новые среды
Новые физические
реакционные условия
Реакции на границе
раздела фаз
Новые подходы к работе
с сырьем
Ионные жидкости
Микрореакторы
Твердость – твердость
Биомасса, отходы,
атмосферный CO2
Жидкие полимеры
Микроволны
Пар – твердость (включая
CO2)
Биосинтетические
превращения
Водные системы
Электрохимия
Твердость – жидкость
Биополимеры
Сверхкритический CO2
Радиочастотное
облучение
Ковалентно привязанные
тонкие жидкие пленки
Биомиметические
синтетические материалы
Без растворителя
Ультразвук
Эмульсии
Биофармацевтика
Плазма
Суспензии
Радиация
Электро-магн индукция
Фотохимия
Солнечная энергия
Самосборка
Селективный катализ
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Микрореакторы
Lab-on-chip
Состоят из серии мелких каналов (10 – 1000 микрон)
Материал: нержавеющая сталь, пластики, силикон, стекло
Могут быть легко изготовлены
Используют самые простые устройства подачи растворов (насосы)
Либо гидродинамическая, либо электроосмотическая подача растворов
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Насосы для микрореакторов
Перистальтический
Мембранный
Винтовой шприцевой
Эксцентричный
Плюсы:
Экономичность
Не контактируют с раствором
Минусы:
Медленная прокачка в мелких каналах
Пульсация
Параболический профиль потока
время
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Смешение реагентов
Реагент 1
Зона смешения
Реагент 2
Y-соединение
Реагент 1
Многослойный
смеситель
Зона смешения
T-соединение
Реагент 2
Обычно занимает от секунд до микросекунд
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Преимущества микрореакторов
23.07.2013
Быстрое смешение
Точный контроль температуры
Высокие выходы
Высокая селективность
Безопасность
Занимают мало места
Масштабируемость
НГУ, 3 курс ФЕН
Масштабирование
Обычный синтез
Лаборатория
Пилотная установка
Синтез в микрореакторе
Увеличение размера
или количества
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Завод
Примеры
Увеличение скорости реакции
100% конверсии
Микрореактор: 20 мин
Обычная колба: 24 ч
Региоселективность
Микрореактор: 78%, 95:5 А:В
Обычный реактор: 49%, 65:35 А:В
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
Безопасность
Примеры
Выход мононитрата увеличен с 55% до 75%
Чистота продукта увеличена с 56% до 75%
Побочная полимеризация уменьшена в 5 раз
Увеличение выхода
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
За 40 минут:
Микрореактор: 83%
Обычный реактор: 15%
Примеры
NMgCl
N
CN
N
O
N
MgCl
Микрореактор
40оС, 1 мин
EtOH
HClaq
Реакция Гриньяра с двумя последовательными актами гидролиза.
Реактор из нержавеющей стали (ART, Alfa Laval, Lund, Sweden).
Занимает всего 30 X 50 см на столе.
200–300 кг 2-бензоилпиридина в день.
Using Microreactors in Chemical Synthesis: Batch Process versus Continuous Flow
Sep 1, 2009
By: Andreas Weiler, Matthias Junkers Pharmaceutical Technology
23.07.2013
НГУ, 3 курс ФЕН